안녕하세요. 일시블맨입니다. 오늘은 지난번 열교환기에 이어 냉난방 순환 계통에 설치되는 팽창기수분리기에 대해 알아보려고 합니다. 저는 이번 현장에서 지역난방 시스템을 처음 접하게 되었을 때 열교환기와 흡수식 냉동기에 설치되는 팽창기수분리기를 보고 어떠한 용도인지 궁금했고, 어떻게 작동하는 것인지 원리가 궁금했었는데 이번 기회를 통해 알게 된 점을 잘 정리해보도록 하겠습니다.
1. 팽창기수분리기의 용도, 역할
팽창기수분리기는 이름에서 알 수 있듯이 2개의 기능이 합쳐진 것으로 볼 수 있습니다. 첫번째는 팽창탱크의 기능, 두 번째는 기수분리기의 기능이죠. 또한 이 두 개의 기능 외 보급수 공급의 기능도 있습니다. 그러면 냉난방 계통에서 팽창기수분리기의 세 가지 역할을 알아보도록 하겠습니다.
1) 배관수 내 용존기체 분리
난방수의 보급수는 상수도를 사용하게 되는데 상수도에는 용존산소와 염소이온과 같이 부식성이 강한 이온을 함유하고 있습니다. 이러한 용존 산소와 이온은 배관의 부식 또는 난방불량을 발생시키는 원인이 됩니다. 난방 시스템 작동 시 난방수는 온도가 올라가 팽창하게 되고 압력이 올라갑니다. 팽창기수분리기는 이러한 압력 상승을 감지하여 팽창수 인입 밸브를 개방하고, 고압의 난방수의 압력을 하강시킵니다. 그리고 압력이 내려간 난방수는 함유된 용존산소는 탈기(Air Separation) 현상에 의해 분리되고 상부에 에어벤트로 배출됩니다.
※ 압력하강으로 기체가 분리되는 것이 이해가 잘 되지 않을 때, 탄산음료를 생각하시면 됩니다. 탄산음료는 뚜껑을 열면 병안의 압력이 내려가고 음료 안에 있던 탄산이 올라오게 되는데, 이는 압력에 따른 용해도가 변화한다는 "헨리의 법칙"의 대표적인 예입니다.
2) 배관의 압력유지(과압력, 저압력 방지)
시스템이 작동될 때 배관 내 난방수는 온도가 상승하여 압력이 올라가며, 반대로 정지될 때는 온도가 내려가며 압력이 떨어집니다. 이러한 압력 변화로부터 시스템을 보호하는 기능도 있습니다. 배관 내 압력이 올라갈 때(유체가 팽창할 때) 센서에서 팽창수 흡입밸브가 개방되어 난방계통의 압력을 내려주며, 압력이 내려갈 때는 팽창수 공급펌프가 작동되어 난방계통의 급격한 압력하강을 방지하여 시스템을 보호합니다.
3) 보충수의 공급
난방배관 내 난방수는 지속되는 기수분리, 누수 등 여러 이유로 유실될 수 있습니다. 이러한 유실로 난방수가 부족하게 되면 팽창기수분리기에서 저수위를 감지하여 보충수의 밸브가 개방되고 보충수를 공급합니다. 이러한 보층수의 공급을 통해 난방배관 내 일정한 충수 상태를 유지하게 도와줍니다.
이 외에 제조사에 따라 보충수 만수위에 따른 드레인기능, 안전변 등 여러 가지 기능이 있는데 일단 위 세 가지가 대표적인 팽창기수분리기의 용도 및 역할이라고 생각하시면 됩니다.
2. 팽창기수분리기의 구성
다음은 아래 사진을 통해 팽창기수 분리기의 구성에 대해 알아보도록 하겠습니다.
먼저 배관 및 장비에 대해 설명하면 팽창수의 유입과 탈기를 하는 (01)탱크와 팽창된 난방수가 유입되는 (12) 팽창수 보급관, 시스템 정지 시 팽창수를 다시 계통으로 환원시키는 (02) 펌프와 (14) 팽창수 공급관, 그리고 보급수 인입을 위한 (13) 보급수 인입관 및 탈기된 기체를 배출하는 (09) 에어벤트로 구성되어 있습니다. 또한 탱크 안 블래더의 외부를 대기압으로 유지시켜 주는 (07) 통기관도 있습니다.
그 후 제어를 위한 장치를 보게 되면 난방배관의 압력을 감지하는 (21) 압력센서, 압력센서에서 신호를 받아 개폐되는 (18) 자동압력 팽창수 제어밸브, 유입되는 팽창수의 유량을 조절하는 (20) 유량조절밸브가 있으며, 난방수의 수위를 감지하는 (08) 레벨센서, 저수위 시 신호를 받아 개방되어 보충수를 공급하는 (19) 보급수조절밸브로 구성되어 있습니다.
3. 팽창기수분리의 작동 원리
이번에는 팽창기수분리기가 작동상태에 따라 어떻게 작동되는지 알아보도록 하겠습니다.
1. 설치 후 비운전 상태
설치 및 전원 연결 후 특정 압력에 맞춰 압력을 설정하면, 빈 탱크에 의해 저수위를 감지하여 보급수 밸브가 개방되어 충수 되며, 저수위 레벨까지 충수 된 후 보급수 밸브는 자동으로 잠기게 됩니다.
- ① 팽창수 흡입밸브 잠김
- ② 보급수 밸브 열렸다가 일정량 충수 시 정지
- ③ 펌프 정지
2. 시스템 운전, 온도상승, 팽창 시
시스템이 작동되어 난방수의 온도가 상승, 팽창 발생 시 배관 내 압력이 상승하게되고 이를 압력센서에서 감지합니다. 감지된 신호에 의해 팽창수 흡입밸브가 개방되고 팽창수가 탱크 내부로 인입하게 되며, 이때 고압의 팽창수의 압력이 해제되어 용존기체가 분리되고, 상부 에어벤트로 분리된 기체가 배출됩니다.
- ① 펌프 정지
- ② 팽창수 흡입밸브 개방 (보급수 밸브 잠김)
- ③ 탱크내 수위 상승
- ④ 압력강하에 의해 용존기체 탈기 후 에어벤트로 배출
3. 시스템 정지, 온도하강, 수축 시
시스템이 정지되어 난방수의 온도 하강 시 수축되어 압력이 떨어지고, 이를 압력센서에서 감지하여 팽창수 공급 펌프를 가동하여 탱크 내의 팽창수를 배관으로 환원시킵니다.
- ① 펌프가동
- ② 팽창수 흡입밸브 잠김
- ③ 보급수 밸브 잠김
- ④ 탱크 내 수위하강
- ⑤ 팽창수 배관내로 환원
4. 반복 운전, 탈기, 자동 보충
위에 팽창과 수축을 반복하면서 탱크 내부에서 팽창수의 용존기체 분리 및 배출이 반복되며, 팽창수 공급펌프 가동 시 탱크 내부는 자연스럽게 진공이 되어 2차 용존기체 탈기 및 불순물이 분리작용 됩니다. 또한 이 과정에서 저수위를 감지하면 보급수 밸브가 개방되어 난방수를 재충수 시킵니다.
- ① 펌프가동
- ② 팽창수 흡입밸브 잠김
- ③ 탱크 내부의 진공화로 2차 용존기체 탈기
- ④ 저수위 감지 시 보급수 밸브 개방 후 충수
4. 팽창기수분리기 설치방법
팽창기수분리기를 설치 위치, 방법, 주의사항에 대해 알아보도록 하겠습니다. 제조 업체마다 설치 기준이 다르겠지만 제가 현장에서 설치하면서 알게된 점과 주의해야 할 점에 대해 몇 가지 적어보도록 하겠습니다.
1. 팽창수의 인입관과 공급관 분기 위치
팽창수의 인입관과 공급관은 난방배관 중 환수(리턴)관에서 분기하여야 하고, 순환펌프 전(前)에서 분기해야 합니다. 순서를 보면 난방리턴관 → 팽창수 인입관 분기 → 팽창수 공급관 분기 → 순환펌프 → 난방 공급관 순으로 시공이 되어야합니다.
(제 사견으로 리턴에 분기한 이유는 용존기체는 온도가 낮을수록 많이 유체에 녹아드는데, 리턴은 사용처에서 난방열을 방출하여 비교적 낮은 온도기 때문에 많은 팽창기수분리기에서 효과적으로 기수분리를 하지 않을까 예상합니다.)
2. 보급수관 인입 전 감압밸브 사용
이전 컴팩트 열교환기에서 언급했듯이 난방배관은 밀폐계통이므로 부스터 펌프 없이 난방순환펌프만으로도 작동이 가능합니다. 따라서 이 난방계통에는 순환펌프의 양정만으로 순환이 됩니다. 그러나 보통 보급수의 경우 부스터 펌프의 급수배관에서 분기하여 인입이 되는 경우가 많은데, 이때 감압밸브를 사용하지 않으면 부스터 펌프의 양정이 그대로 난방계통에 적용이 되어 시스템이 정상 작동되지 않을 수 있습니다. 따라서 보급수를 인입배관 전에는 감압밸브를 사용하여 압력을 낮춘 뒤 팽창기수분리기에 연결해야 합니다.
3. 팽창수 인입관과 공급관의 분기 방식
팽창수의 인입관고 공급관은 난방 환수배관에서 분기 시 배관 하부가 아닌 측면 또는 상부에서 분기하여 팽창기수분리기와 연결될 수 있도록 해야 합니다. 그 이유는 기체가 배관 내에서 하부가 아닌 상부에 존재하기 때문에 효과적인 용존기체 제거를 위해서는 하부가 아닌 측면, 상부에서 분기를 해야합니다. 또 한 팽창수 인입관과 공급관의 분기 위치는 서로 1m 이상 이격하여 팽창기수분리기에 연결 해야 합니다.
이상으로 팽창기수분리기에 대해 정리해 보았습니다. 비교적 간단한 장비여서 짧게 설명하려고 했으나, 적다 보니 많이 길어진 것 같습니다. 다음에는 또 다른 건축설비 지식에 대해 정리해 보도록 하겠습니다.
긴 글 읽어주셔서 감사합니다.
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